靜水壓力對(duì)巖石在等離子體沖擊下 壓裂效果的影響*

付榮耀,孫鷂鴻,徐旭哲,嚴(yán) 萍

(1.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 2.中國科學(xué)院電工研究所,北京 100190; 3.中國科學(xué)院電工研究所電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

非常規(guī)天然氣、煤層氣和頁巖氣等綠色能源成為各國日益青睞的資源。目前主要是通過水力壓裂技術(shù)來改造能源儲(chǔ)集層，美國頁巖氣的開采中廣泛應(yīng)用了水力壓裂技術(shù)，但需要消耗大量的水資源，且水中添加的化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)地下水造成污染。針對(duì)頁巖氣開采中帶來的負(fù)面問題，提出了一種適用于致密氣儲(chǔ)層的低耗水、低傷害、低能耗的等離子體沖擊壓裂技術(shù)。該技術(shù)是以“液電效應(yīng)”為理論基礎(chǔ)的一種壓裂手段。“液電效應(yīng)”是指當(dāng)電容器儲(chǔ)能通過放電開關(guān)在水中電弧放電時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波并伴隨強(qiáng)烈輻射的一種現(xiàn)象。電弧放電時(shí)放電電流可達(dá)幾十至數(shù)百千安培，放電時(shí)間在幾十微秒至數(shù)百微秒，瞬時(shí)溫度可達(dá)數(shù)千度，瞬時(shí)功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，引起電極間等離子通道內(nèi)壓力升高，形成強(qiáng)脈沖壓力波，產(chǎn)生的壓力幅值可達(dá)幾十至數(shù)百兆帕。當(dāng)電弧放電產(chǎn)生的沖擊波壓力大于頁巖層的抗壓或者抗拉強(qiáng)度時(shí)，頁巖層便會(huì)產(chǎn)生裂縫，提高巖樣滲透率，從而提高頁巖氣井產(chǎn)量。公式(1)給出了一個(gè)沖擊波壓力的經(jīng)驗(yàn)公式：

pm=β[ρW/(τТ)]1/2

(1)

式中:pm為沖擊波的波前最大壓力；β為無因次的復(fù)雜積分函數(shù)，近似取0.7；ρ為液體密度；W為放電通道單位長度的脈沖總能量；τ為壓力波前時(shí)間；Т為脈沖能量的持續(xù)時(shí)間。 從上式可以看出，可以通過改變放電能量、沖擊壓力波波前時(shí)間和沖擊波持續(xù)時(shí)間來調(diào)節(jié)沖擊波壓力的大小。

當(dāng)前無靜水壓條件下水中等離子體水中放電技術(shù)已經(jīng)逐步成熟。沖擊波的形成、發(fā)展以及衰減過程基本原理也有了一定的研究基礎(chǔ)，但是我國頁巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜，地表?xiàng)l件較差，埋藏深度都在3 km左右，此深度下頁巖層承受幾十兆帕的圍壓，圍壓成為影響深井下壓力效果的一個(gè)關(guān)鍵因素[1-3]。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究難度較大，所以使用靜水壓力模擬圍壓，研究靜水壓力下水中等離子體放電特性以及沖擊壓力波的傳播規(guī)律，為深井下等離子體沖擊壓裂工具的研制提供理論依據(jù)。

1 等離子體沖擊壓裂裝置研制

研制了一套靜水壓下等離子體沖擊壓裂裝置，裝置各部件以及壓裂實(shí)驗(yàn)內(nèi)腔尺寸如圖1所示。使用此裝置產(chǎn)生的靜水壓力來模擬深井圍壓，最大靜水壓力達(dá)35 MPa，進(jìn)行等離子體沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)時(shí)將砂巖巖樣放入直徑為350 mm、高為500 mm的高壓釜中，通過壓力泵向高壓釜注水增壓，使靜水壓力達(dá)到設(shè)定值。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment

用于產(chǎn)生等離子體沖擊波的大電流脈沖源電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中恒流充電電源最大功率為20 kW,輸出電壓在0～20 kV范圍內(nèi)可調(diào)，采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT功率模塊組成功率變換系統(tǒng)，IGBT工作在零電流切換模式下，使得充電電源在重復(fù)運(yùn)行時(shí)減少開關(guān)管損耗和發(fā)熱[4-14]。放電開關(guān)采用三電極空氣開關(guān)，在重復(fù)沖擊壓裂工況下工作穩(wěn)定，壽命高。

圖2 脈沖源電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of the pulsed power system

圖2中L為放電回路寄生電感(主要為放電電纜產(chǎn)生)。C為10臺(tái)20 μF/20 kV并聯(lián)電容器組。R、C和安全泄放開關(guān)組成了能量泄放回路。脈沖源負(fù)載為浸入水中的放電電極，電極為對(duì)極結(jié)構(gòu)，使得沖擊波向水平兩側(cè)傳播，對(duì)兩側(cè)巖樣進(jìn)行壓裂破碎。

圖3 砂巖巖樣Fig.3 Sandstone samples

2 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)砂巖巖樣進(jìn)行了靜水壓力下等離子體沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)，巖樣尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，中心鉆孔直徑5 cm，深22 cm。巖樣力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度49.46 MPa，楊氏模量11 255 MPa，泊松比0.182 5。放電電極間距為7 mm，放電電極采用對(duì)極模式，極間距離為7 mm，儲(chǔ)能電容均為200 μF。實(shí)驗(yàn)過程中主要通過改變放電電壓、放電次數(shù)和靜水壓力來研究等離子體沖壓壓裂后井筒裂縫的發(fā)展規(guī)律。放電電壓主要是以15 kV和18 kV為主，進(jìn)行時(shí)間間隔為1 min的重復(fù)性放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)待放電電極深入孔內(nèi)后，需將巖樣上孔密封，以保證放電產(chǎn)生的沖擊波向兩側(cè)作用。

2.1 無靜水壓力下沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)

對(duì)巖樣CO1共進(jìn)行了5次15 kV放電試驗(yàn)，每次放電能量為22.5 kJ。沖擊壓裂完成后對(duì)巖樣進(jìn)行測(cè)量，巖樣表面縫高一面330 mm，另一面350 mm，如圖4所示。

圖4 砂巖試樣CO1壓裂圖片F(xiàn)ig.4 Fracture pictures of sandstone samples CO1

無靜水壓力放電時(shí)沖擊壓裂效果明顯。能量足夠大時(shí)，較少放電次數(shù)就可使得裂縫貫穿整個(gè)巖樣，且裂縫清晰，但條數(shù)少；在天然巖樣為實(shí)驗(yàn)對(duì)象時(shí)，裂縫對(duì)稱出現(xiàn)。

2.2 不同靜水壓力下沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)

分別進(jìn)行了0、5、10、15、20和25 MPa靜水壓力沖擊壓裂實(shí)驗(yàn),對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別是巖樣CO1、巖樣1、巖樣2、巖樣3、巖樣4和巖樣5。每組實(shí)驗(yàn)時(shí)直至巖樣出現(xiàn)明顯的裂縫為止。沖擊壓裂后將巖樣在距井底5 cm處橫向切割，觀察巖樣井內(nèi)裂縫和橫切面裂縫隨著靜水壓力變化而產(chǎn)生裂縫形態(tài)發(fā)展規(guī)律。

靜水壓力為5 MPa時(shí)1號(hào)巖樣經(jīng)過5次15 kV放電和8次18 kV放電壓裂后裂縫如圖5所示。

靜水壓力為10 MPa時(shí)，巖樣2經(jīng)過放電壓裂后，巖樣井內(nèi)裂縫及巖樣橫截面切開后如圖6所示。

圖5 巖樣1裂縫圖片F(xiàn)ig.5 Fracture pictures of sandstone sample 1

圖6 巖樣2裂縫圖片F(xiàn)ig.6 Fracture pictures of sandstone sample 2

靜水壓力為15 MPa時(shí)，巖樣3經(jīng)過20次18 kV放電沖擊壓裂后，巖樣井內(nèi)裂縫及巖樣橫截面如圖7所示。

靜水壓力為20 MPa時(shí)，巖樣4經(jīng)過12次15 kV和5次18 kV放電沖擊壓裂后，巖樣井內(nèi)裂縫如圖8所示。

靜水壓力為25 MPa時(shí)，巖樣5經(jīng)過20次18 kV放電壓裂后，巖樣井內(nèi)裂縫如圖9所示。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)，放電參數(shù)和沖擊壓裂后巖樣裂縫參數(shù)如表1所示。

圖7 巖樣3裂縫圖片F(xiàn)ig.7 Fracture pictures of sandstone sample 3

圖8 巖樣4裂縫圖片F(xiàn)ig.8 Fracture pictures of sandstone sample 4

圖9 巖樣5裂縫圖片F(xiàn)ig.9 Fracture pictures of sandstone sample 5

砂巖編碼靜水壓力/MPa工作電壓/kV放電次數(shù)單次放電能量/kJ裂縫高度/mm裂縫徑向長度/mm井內(nèi)裂縫條數(shù)1515522.518832.4200190,150521013416.915322.5181032.415422.5181532.420020,303315182032.4200170,1705,一條主縫420151222.518532.417060,504525182032.41105多裂縫,一條主縫CO1015522.535070一條主縫

從表1中可以初步看出，單次脈沖放電電壓越高、單次儲(chǔ)能越大、放電次數(shù)越多，電弧壓裂造縫效果越好。壓裂造縫長度與單次放電電壓、單次能量、放電次數(shù)成正比例關(guān)系。放電電壓低時(shí)，需要更多放電次數(shù)來能達(dá)到壓裂效果。從裂縫長度可以看出，隨著靜水壓力的升高，裂縫高度尺寸越來越小，同樣徑向長度也會(huì)越來越短，但是裂縫的條數(shù)會(huì)隨著靜水壓力的升高而變多。

3 結(jié) 語

進(jìn)行了靜水壓力下水中放電沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)，從巖樣造縫效果中初步得到了靜水壓力對(duì)等離子體沖擊壓裂的影響規(guī)律。靜水壓力對(duì)巖樣裂縫的形成，擴(kuò)展具有抑制作用。相同能量的等離子體沖擊波施加到巖樣后，壓裂產(chǎn)生的裂縫長度會(huì)隨著靜水壓力的升高而減小，從而會(huì)導(dǎo)致裂縫的導(dǎo)流能力下降。靜水壓力能明顯地影響裂縫的形成、分布和生長。與常壓下形成的裂縫相比，施加靜水壓力后裂縫多集中在電極處，數(shù)量多，長度短，存在不同程度的彎曲，而且局部區(qū)域出現(xiàn)了環(huán)形裂縫。